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1、变幅宽U型截面冷弯成形的有限元模拟作者：北方工业大学卜高乐刘继英摘要：采用有限元分析通用软件MSC.Marc对变幅宽U型材冷弯成形进行仿真模拟。利用 仿真方法，探讨了变幅宽U型冷弯成形采用轧辊轴向移动代替变截面法向成形的可行性以 及产生的误差。对不同角度变幅宽U型材分别进行立辊成形和平辊成形模拟分析，揭示了 平辊成形和立辊成形对变幅宽型材在接近90变形时产生的不同误差影响。得出结论为在小 角度情况下，在初期成形中用单轴轴向移动代替双轴控制的法向移动是可行的，在接近90 成形的道次中用侧立辊代替平辊成形会取得好的效果。本文的结论为实际生产中变截面的成 形设备研制给出了指导方法，并对降低设备造价具
2、有显著意义。关键词：变幅宽冷弯成形；轴向成形；法向成形；有限元分析1前言柔性冷弯成形技术(flexible roll forming)是一种横截面可以按照一定规律变化的冷弯成形 新技术。随着计算机技术的发展，以及变截面型材的优势，此项技术成为国际上的研究热点， 也有可能成为下一代的Roll Forming技术的方向。目前最有代表性的是日本拓殖大学小奈 弘教授1的研究和和德国data M和Darmstadt大学2的研究(图1和图2)。他们的共同 特点是采用双轴联动控制的成型机。图1小奈教授的Roll Forming变截面成形设备rtfMiUld 印怙皿日 明 rlw rll IbEWnlH蛀m
3、v9ie PiU kb QflLf&i+Midi图2德国data M和Darmstadt大学的Roll Forming变截面成形设备在实际工业应用中。有一类变幅宽且成形边缘较矮的产品，例如轿车部件的B柱。目前的 成形方法是先按照最宽的幅板成形截面的复杂一侧，然后再裁出斜度，离线折弯成形较简单 一侧。这样的方法材料利用率低，且成品率低。如何利用柔性冷弯成形技术，高效、经济地 生产这类产品，是一个实际问题。图3轿车部件B柱是个变宽度的Roll Forming产品本文将上述问题作了必要的简化和抽象，以U型截面小角度变幅宽为研究对象，探讨了用 单轴轴向控制代替双轴法向成形的可能性，以及可能产生的误差。
4、要正确地成形变截面的截 形，轧辊要在成形线的法向运动。这就要求变截面的成形设备能够在轧辊的轴向移动的同时 还要有一定的转动，即是两轴联动。当纵向变截面的角度较小（例如5）时，弯曲角的初 成形道次（例如30、60）用单一的轴向成形代替两轴联动的法向成形是显然可行的。需 要研究的是：纵向变截面的角度a与成形误差的关系、配辊方式与成形误差的关系。2.幅板宽度可变的U型截面2.1 U型截面几何模型描述U型截面板厚1mm,边腿高10mm,最大幅板宽度100mm,最终弯角为90，是相对于中部 完全对称的截形。成形角度分别为30、60、90，包括平板总共为4个道次成形。图4为 最宽截面内的辊花工艺图，图5为
5、沿纵向的展开图，L2为成形线，a为纵向变截面的角度。在冷弯成形中，型材边部弯曲角度为6090时，可米取两种配辊方式：平辊成型和侧立辊 成型。在边腿较矮情况下采用平辊成形，轧辊设计简单，不用增加辅助的机架。一般优先考 虑用平辊成形。图6用平辑成诊90。弯角的配辗图2.2 U型截面材材料的基本参数仿真中使用的材料是型材中最常用的Q235,导入有限元分析中，采用的是弹塑性模型（弹 性模量202000N/mm2,泊松比为0.28），其余数据如表1。们材料的店本物理在性材料牌号屈服点q /A化抗投避.度思：!MPe伸长率巧（%26%2.3变幅宽模型的建立由COPRA设计出U型材辊弯型材辊花图，存为Aut
6、oCAD格式，然后导入MSC.Marc软 件中，建立各个道次轧辊模型和U型材模型，设定几何属性参数，材料属性参数，设置边 界条件，接触约束。变幅宽几何模型采用的方法是在笛卡尔坐标系下，采用轧辊两个坐标轴上的分速度来合成轧 辊在平面上的速度，通过Marc软件在X轴（横向）和Y轴（竖直方向）上分别导入关于 时间t的函数来控制轧辊的位移，在Z轴方向上驱动型材变形。只在板材与轧辊可能发生接触变形的地方设置轧辊，从而解决了轧辊在型材横向空间的移 动，从而仿真分析变截面U型材的成型过程，较好的符合了实际情况。2.4等截面U型材仿真第4道次U型材成型角度为90,有限元仿真采用两种方式，第一种是平辊成形（如图
7、8）, 第二种是侧立辊成形（如图9）。用&乎耕扎槌4增我三维图S9 心混L4 iu t .涎*畿舄投醐哽3基本工艺参数 mm辗轴宜役下辗轴直径型It长度，门娜邱5001001001200100仿真型材为薄板（厚宽比为1： 100），采用139号壳单元（双线性薄壳单元）进行仿真分 析。139号是一种4节点，具有全位移和旋转自由度的薄壳单元，这种单元可以进行复杂板 结构分析和曲壳分析，其公式比较简单，计算费用较小3。有限单元划分根据型材成形特 点和变形位置确定，在U型材成形中，主要是横向弯曲变形，在弯角处变形量最大，在边 腿部分有可能发生缺陷，而在型材中部几乎没有变形。在划分有限单元时，采用中间稀
8、疏， 边部稠密，尤其在型材弯曲部位划分单元最细。考虑到四边形单元形状的影响，按照表3数据划分单元，等截面U型工件单元划分如图12,变幅宽U型工件单元划分如图13。表3单元的划妙单几类酣切渺.1观昭1爪无个数节点个姓1部号1 土重暇庚孑变形区20802150对0唧等截面的U型材分别采用立辊和平辊进行仿真，结果相同如图10图12,与设计结 果十分相符。折弯角符合设计，由实际生产经验判断也比较相符，即在折弯角小于或者等于 90时采用平辊或侧立辊成形都是可行的。腐12等上面U型材局部放大圈3.变幅宽U型材冷弯成形的仿真结果分析1）平辊和侧立辊的仿真对变幅宽U型材按弯曲线与板材纵向移动夹角a为0.5，1
9、，1.5，2，2.5， 3的6组 数据，分别按照平辊和侧立辊配置仿真，得到如图14图19的结果。型材用韶放大阁/l I阁2等曲布U网材如K /闱 LALi溪I 16-b立翼仿真约l?-a下乎死仿真图 1服 25fttX18-b 立握甜St 19-a 3、=辍?, 19-b 罗就琶各图中红线为设计辊花，灰色为仿真结果。可以观察到在采用平辊仿真型材变幅宽横向为 0.5时，在型材的弯曲部位产生了向下偏移的情况。而采用1，1.5，2，2.5，3变幅仿 真，结果产生的影响与上所示变化趋势相同，而且偏差越来越大。而采用立辊仿真时，结果 较好，与原设计截型的偏差不大。同时在3时采用平辊进行成形，由图可以看出
10、产品已经 产生了扭曲变形，仿真无法进行下去了。2）采用侧立辊成形的偏移误差分析 为尽可能减少误差，采用侧立辊成形。提取仿真得到的横截面轮廓与设计原辊花图进行对比， 进行形状和误差分析。为便于描述，将边腿上端点定义为A点，下端点定位为B点（图20）， 横坐标为X，纵坐标为Y。采用网格坐标定位（网格点与点之间间隔为0.01mm），进行误 差测量。留20型材曲呼上的A点用B点由几何关系可得最大偏移量MN为:绘制Y向偏移曲线如图21的曲线:图21 Y向偏移曲线从上图曲线可以得出，在U型材截面角度逐渐变大过程中，A点的Y向偏移量逐渐增大， 最大值在0.8-1.2mm之间，而B点的Y向偏移量随着角度的增大
11、而逐渐增大。考察弯曲区域的B点，其在两个坐标方向的偏差以及总体位置偏差见表5。表F型材弯曲部分B点偏移误差a 00.5t1J21.53最大偏移nunY00.10.160.10.10720.76X0010.080360.49.2002S总嗣移00.140.180370.410750.S1CX 33.54455.5& 最大偏耕nunY0.S0 961.121.21L.401.8QX0.40480.*580.720.780.S4总偏移1.071311.41L.W1.99从上表和仿真轮廓对比图，可以发现，变形区的最大偏移量随变截面角度的增大而增大，Y 向位置偏移量增加显著，而X向偏移量则较小。这表明，弯曲区域主要是发生了向下方的位置偏移，而横向偏移量比竖直方向小。这种Y向偏移较大成为后续的精确成型中较为有 利的情况，需要在辊型设计中给予特别注意的问题。弯曲部分BjX以大偏述曲线4结论由以上的大量仿真，得到结论如下:1）在变幅宽冷弯成形中，弯区角为90时，平辊和立辊配置对产品成型质量有显著影响，应该采用侧立辊的配置方式；2）在变幅宽角度较小时（a3时），可以考虑用单一的轴向位移控制的成型设备替代双轴联 动控制的法向成型设备；3）成型制件的位移偏差随a角的增大而迅速增大，最大位移偏差发生在成形区域附近，且 垂直位移偏差大于横向位移偏差。（end）
